近日，复旦大学物理系/应用表面物理国家重点实验室的谭鹏课题组与东京大学Hajime Tanaka教授课题组展开合作，研究了晶体发生无扩散固固相变时的动力学，并阐释了其路径选择机制。6月30日，相关成果以“Revealing thermally-activated nucleation pathways of diffusionless solid-to-solid transition”为题，在线发表在期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24256-9。

晶体的马氏体相变是一种无扩散的固体-固体相变，特点是相变前后的母相和子相存在特定的位向关系。这一相变广泛存在于各种固体材料中，并因为其理论和应用上的重要性长期作为研究热点存在。然而，由于实验上观察的困难（包括原子体系相变窗口时间短，相变势垒高），这一相变的微观动力学一直未被充分理解。

为了克服实验上的问题，研究人员在由均匀聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）胶体粒子构成的实验系统中，全新设计了一套独特的能触发、控制相变的实验装置，并利用能同时追踪很多粒子位置的三维共聚焦显微镜（confocal microscope），成功在单粒子层面追踪了三维固体从面心立方晶体 (fcc) 到体心立方晶体(bcc)的完整转变动力学。通过对数据的分析，研究人员首次在实验上揭示了马氏体相变独特位向关系的两步形成过程。此外，研究人员不仅观察到了在通常的硬固体材料中较为普遍的应力驱动固固相变动力学，同时也观察到了三种全新的由热涨落驱动的相变路径，包括晶体内部自发生成缺陷，晶界上的预融化，以及系统边界辅助的相变，并给出其相变路径选择机制的物理模型。

以上这些发现不仅仅在实验上清晰地呈现了马氏体相变的微观动力学过程，更重要的是不同相变路径以及其模量依赖的发现对于更加精确有效地调控固体-固体相变具有重要的指导意义。论文第一单位为复旦大学，我系硕士生李黾奂（已毕业，现哈佛大学博士生）为论文第一作者，我校谭鹏教授和东京大学吴Hajime Tanaka教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委，复旦大学应用表面物理国家重点实验室等资助。

图1: (a) 实验装置侧视图 (b)胶体体系平衡态相图 (c) 晶体模量对于可调离子束浓度的依赖关系 (d) Bcc晶体占比在相变过程中随时间变化图 (e) 实验中观察到的相变路径总结 (f) 马氏体相变位向关系的两步形成过程